蔣尊芳, 胡曉勇, 劉平云
(1.農(nóng)業(yè)部南京設計院中南分院, 長沙 410000; 2.永清環(huán)保股份有限公司, 長沙 410000)
畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便、尿液和污水統(tǒng)稱為畜禽糞污[1],隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展[2],畜禽糞污造成的污染日益劇增。據(jù)第二次全國污染源普查公報結果顯示,畜禽養(yǎng)殖業(yè)年排放化學需氧量1000.53萬噸,氨氮11.09萬噸,總氮59.63萬噸,總磷11.97萬噸,畜禽糞污已居農(nóng)業(yè)源污染之首[3]。畜禽養(yǎng)殖污水成為水環(huán)境污染的主要來源之一[4-5],高濃度的畜禽污水使水中溶解氧含量降低,水體富營養(yǎng)化[6],從而導致水生生物過度繁殖,極易造成水源生態(tài)系統(tǒng)污染惡化。畜禽糞污同時對大氣環(huán)境帶來極大的破壞,糞污里降解或未降解的有機物腐敗發(fā)酵產(chǎn)生大量的硫化氫、氨、甲烷、二氧化碳、醇類等有害氣體[7],研究數(shù)據(jù)表明,畜禽養(yǎng)殖排放的氨占整個農(nóng)業(yè)源氨排放的50%[8],是促進PM2.5形成[9],氮素大氣沉降的重要來源[10],這些氣體揮發(fā)到大氣中,不僅造成溫室效應,還會引發(fā)酸雨,嚴重影響了人們的生存環(huán)境。
我國既是養(yǎng)殖大國,也是種植業(yè)大國,一方面畜禽養(yǎng)殖排放大量的糞污對環(huán)境造成污染,另一方面農(nóng)業(yè)種植大量施用化肥造成土壤有機質下降[11],農(nóng)業(yè)面源污染加劇[12]。畜禽糞污既是養(yǎng)殖業(yè)的重要污染源,也是放錯位置的寶貴資源,畜禽糞污肥料化利用既可有效解決養(yǎng)殖污染問題,同時也可提高土壤有機質含量、減少種植氮磷流失[13]。但是,由于我國專業(yè)化種植與規(guī)?;B(yǎng)殖脫節(jié)[14-15]、種養(yǎng)循環(huán)不暢,專業(yè)化服務組織數(shù)量少、規(guī)模小、專業(yè)化機械化水平低、服務能力弱,種養(yǎng)結合的渠道不暢;缺乏種養(yǎng)結合養(yǎng)分平衡管理機制,沒有全面考慮植物養(yǎng)分需求,施用的畜禽糞污養(yǎng)分近40%排放到水體和大氣中[16],不僅造成作物減產(chǎn),同時還帶來了環(huán)境污染。
歐美等發(fā)達國家與我國一樣,規(guī)?;B(yǎng)殖發(fā)展也曾經(jīng)歷過污染嚴重的階段,但隨著種養(yǎng)結合機制建立和機械化還田的普及,基本實現(xiàn)了糞便就地就近還田利用,不僅解決了環(huán)境污染問題,也促進了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[17-18]。如美國,農(nóng)田面積大,畜禽糞污一般采用全量還田模式,糞水混合貯存后直接進行農(nóng)田利用,并建立了以綜合養(yǎng)分管理計劃(CNMP)為核心的政策體系[19];歐盟國家實施以養(yǎng)分平衡為基礎的生態(tài)利用模式,嚴格限定糞便施肥時間、施用方法和施肥量,并記錄糞便農(nóng)田利用臺賬。
中南地區(qū)按照地域細分為華中地區(qū)和華南地區(qū)。華中地區(qū)包括河南、湖北、湖南,該區(qū)域屬暖溫帶-亞熱帶季風氣候,大型規(guī)模養(yǎng)殖場多,人均土地面積小,環(huán)境容量較小,相對其他地區(qū)對畜禽養(yǎng)殖污染治理要求更高。華南地區(qū)包括廣東、廣西、海南,該區(qū)域屬于亞熱帶和熱帶季風氣候,河網(wǎng)水系密集,降雨量豐富,種植間隔期短,糞便儲存時間短,相對于生產(chǎn)有機肥來說,儲存農(nóng)業(yè)利用成本更低。
畜禽糞污土地承載力是資源環(huán)境承載力的一個分支,早在20世紀初被提出[20],本研究從種養(yǎng)結合的角度,基于氮平衡分析,以畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量、農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求量為計算依據(jù),通過計算土地承載力指數(shù)來確定畜禽糞污土地承載力現(xiàn)狀,結合我國中南地區(qū)畜禽糞污資源化利用現(xiàn)狀,借鑒國際國內成功經(jīng)驗,探討符合我國中南區(qū)域特點的糞污資源化利用發(fā)展建議,對全面推動畜禽糞污處理利用具有重要意義。
1.1.1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)
本文主要農(nóng)作物產(chǎn)量,豬、牛、羊和家禽存欄量數(shù)據(jù)均來源于2019年中南六省的統(tǒng)計年鑒[21-26],中南地區(qū)各省的畜禽養(yǎng)殖情況見表1,主要農(nóng)作物產(chǎn)量見表2。
表1 2019年中南地區(qū)各省畜禽養(yǎng)殖情況統(tǒng)計表
表2 中南地區(qū)各省主要農(nóng)作物生產(chǎn)情況統(tǒng)計表
1.1.2 畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量及作物氮養(yǎng)分需求量
畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量及作物氮養(yǎng)分需求量根據(jù)《土地承載力測算技術指南》[1]計算。
1.2.1 畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量
畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量按公式(1)計算:
Qr,p=∑Qr, p,i=∑APr,i×MPr,i× 365 × 10-6
(1)
式中:Qr,p代表區(qū)域內畜禽糞污氮養(yǎng)分產(chǎn)生量,t·a-1;Qr, p,i代表區(qū)域內第i種畜禽糞污氮養(yǎng)分產(chǎn)生量,t·a-1;APr,i代表區(qū)域內生豬當量存欄量,頭(只);MPr,i代表每頭生豬當量中氮的日產(chǎn)生量,g·d-1頭-1。
1.2.2 豬當量折算
豬當量的折算方法來源于《土地承載力測算技術指南》[1],按存欄量折算:100頭豬相當于 15頭奶牛、30頭肉牛、250只羊、2500只家禽。
Q=∑Qi=∑Ai×Ri
(2)
式中:Q為區(qū)域內畜禽養(yǎng)殖實際存欄量,豬當量;Qi為區(qū)域內第i種畜禽種類的豬當量,存欄量;Ai為區(qū)域內第i種畜禽種類的存欄量;Ri為區(qū)域內第i種畜禽種類折算豬當量的系數(shù),奶牛、肉牛、羊、家禽的折算系數(shù)分別為100/15,100/30,100/250,100/250。
1.2.3 農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求量
農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求總量按公式(3)計算如下:
An,i=∑(Pr,i×Ri× 10-2)
(3)
式中:An,i代表區(qū)域內植物氮養(yǎng)分需求總量,t· a-1;Pr,i代表區(qū)域內第 i種作物總產(chǎn)量,t·a-1;Ri代表區(qū)域內第 i 種作物的100 kg收獲物需氮量,kg。
1.2.4 農(nóng)作物糞污氮養(yǎng)分需求量
農(nóng)作物糞污氮養(yǎng)分需求量計算見公式(4):
NUr,m=An,i×FP×MP/MR
(4)
式中:NUr,m為區(qū)域內作物糞污氮養(yǎng)分需求量,t·a-1;An,i為區(qū)域內所有農(nóng)作物的氮養(yǎng)分需求總量,t·a-1;FP為施肥供給養(yǎng)分占作物總養(yǎng)分需求的比例,%。根據(jù)土壤氮養(yǎng)分等級確定;MP為畜禽糞尿養(yǎng)分需求占施肥供給養(yǎng)分總量的比例,按 50% 計算;MR為糞尿養(yǎng)分的當季利用效率,%。糞污氮素利用率25%~30%。
表3 土壤不同N和P養(yǎng)分水平下施肥供給養(yǎng)分占比推薦值
1.2.5 畜禽糞污土地承載力指數(shù)
一定區(qū)域畜禽理論最大養(yǎng)殖量(以豬當量計)按公式(3)計算。
(5)
式中:R代表區(qū)域畜禽以作物糞污養(yǎng)分需求為基礎的最大養(yǎng)殖量,豬當量;NUr,m代表區(qū)域內植物糞污氮養(yǎng)分需求量,kg·a-1;NSr, a代表豬當量糞污氮養(yǎng)分供給量,kg·豬當量-1·a-1,單位豬當量氮養(yǎng)分供給量按7.0 kg·豬當量-1·a-1計算[1]。
將一定區(qū)域內各種畜禽實際存欄量(以豬當量計)除以區(qū)域最大養(yǎng)殖量(以豬當量計)得到區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù),計算公式如下:
I=A/R
(6)
式中:I代表區(qū)域畜禽糞污土地承載力指數(shù);A代表區(qū)域內實際飼養(yǎng)的各種動物根據(jù)豬當量換算系數(shù),折算成豬當量的飼養(yǎng)總量,豬當量;R代表區(qū)域畜禽以作物糞污養(yǎng)分需求為基礎的最大養(yǎng)殖量,豬當量;畜禽糞污土地承載力指數(shù)I>1,表示畜禽養(yǎng)殖已超過理論承載力,需要控制養(yǎng)殖規(guī)模,或者采取措施將畜禽糞污異地消納;I≤1,表示畜禽養(yǎng)殖在理論承載力范圍內,現(xiàn)有土地可以消納畜禽糞污。
中南地區(qū)各省畜禽養(yǎng)殖氮養(yǎng)分供給量見表4。
表4 中南地區(qū)各省畜禽養(yǎng)殖氮養(yǎng)分供給量
以各省的畜禽養(yǎng)殖存欄量為基數(shù),根據(jù)豬當量折算方法,計算各省的生豬當量,如上表所示。以豬當量為基數(shù),綜合考慮畜禽糞污養(yǎng)分在收集、處理和貯存過程中的損失,單位豬當量氮養(yǎng)分供給量為7.0 kg[1],計算氮供給量,各省的畜禽糞污氮養(yǎng)分供給量如上表所示。
根據(jù)2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)[21-26],中南地區(qū)主要農(nóng)作物養(yǎng)分需求量統(tǒng)計見表5。
表5 中南地區(qū)各省主要農(nóng)作物養(yǎng)分需求量統(tǒng)計表 (t)
以各省農(nóng)作物產(chǎn)量為基數(shù),根據(jù)不同植物形成100 kg產(chǎn)量需要吸收氮磷量推薦值[1],計算農(nóng)作物氮養(yǎng)分需求量,具體數(shù)據(jù)如上表所示。
從表6可以得出,在土壤氮養(yǎng)分等級分別為Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級時,所得土地承載力指數(shù)均少于1,說明畜禽糞污土地承載力均未超載,畜禽糞污可以完全消納,同時,畜禽養(yǎng)殖還有一定的發(fā)展空間。
表6 中南地區(qū)各省土地承載力指數(shù)
通過對中南地區(qū)畜禽糞污土地承載力分析,結果表明,在不同的土壤養(yǎng)分等級下,畜禽糞污土地承載力均未超載,可以完全消納產(chǎn)生畜禽糞污,種養(yǎng)結合潛力巨大。為進一步提高畜禽糞污處理利用率,建立種養(yǎng)結合畜禽糞污處理長效運行機制是畜禽糞污處理利用的根本出路,是解決農(nóng)業(yè)面源污染問題、踐行農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要舉措,使物質和能量流在動植物之間進行有序轉換。今后,畜禽糞污處理利用發(fā)展趨勢如下:
(1)培育第三方服務組織,提升糞污處理利用專業(yè)化。培育和壯大糞肥還田專業(yè)化合作社或公司等社會化服務主體,開展糞肥收運施用第三方服務,大力發(fā)展訂單式作業(yè)、生產(chǎn)托管、承包服務等新模式、新業(yè)態(tài)。第三方服務是一種高效的組織模式,可以將養(yǎng)殖和種植聯(lián)合起來,通過專業(yè)化的糞污收集、貯存和施肥管理,可避免非專業(yè)還田存在的施用成本高和環(huán)境風險;對減少面源污染和提高土壤肥力都起到了積極作用。針對不同需求可以提供糞污收集、處理,糞肥運輸、施用等單環(huán)節(jié)、多環(huán)節(jié)不用類型的服務,政府可對運輸車輛、施肥機械、服務費用等進行引導性補貼,降低種植戶肥料成本,保障第三方服務長效運行。
(2)改進糞肥施用方式,推進糞肥施用機械化。推廣全量機械化施用,提升畜禽糞污還田利用機械化水平。針對不同區(qū)域、不同田塊類型推廣適宜的糞肥還田利用輸送和施肥設備,加強種植基地宜機化改造,提高糞肥還田的效率,讓農(nóng)戶從繁重的糞肥施用中解放出來,提高種植戶使用畜禽糞肥的積極性。鼓勵通過機械深施、注射施肥等方式進行糞肥還田,提高氮素利用率,減少養(yǎng)分損失。
(3)建立糞便處理利用臺賬,實施糞污管理信息化。建立全鏈條畜禽糞污還田利用監(jiān)測網(wǎng)絡,開展糞肥還田利用的信息化管理,保證糞肥科學規(guī)范還田,充分利用糞水資源、控制環(huán)境污染。以養(yǎng)殖場、第三方服務機構、種植戶為監(jiān)測重點,督促指導養(yǎng)殖場監(jiān)測記錄畜禽糞污產(chǎn)生量,糞肥氮磷鉀養(yǎng)分、重金屬、抗生素等含量;第三方服務機構做好糞污收集、處理、利用全過程信息記錄;種植農(nóng)戶對施肥農(nóng)田類型、種植制度、糞肥使用時間及使用量等相關信息動態(tài)管理。建立糞污還田利用大數(shù)據(jù)庫,逐步實現(xiàn)糞肥農(nóng)田利用的可監(jiān)測、可報告和可核證,實現(xiàn)糞肥還田從養(yǎng)殖場到田塊的全過程信息記錄,確保糞肥還田利用科學準確。
(1)在不同的土壤氮養(yǎng)分等級條件下,所得土地承載力指數(shù)均少于1,說明畜禽糞污土地承載力均未超載,現(xiàn)有的種植作物可完全消納畜禽產(chǎn)生的糞污,種養(yǎng)結合潛力巨大。
(2)提出畜禽糞污處理利用的根本出路在于種養(yǎng)結合,建議畜禽糞污處理利用走專業(yè)化、機械化、信息化之路,構建起種養(yǎng)結合長效可運行機制。